電纜感應電壓對控制回路的影響分析及解決方案研究

李 超

（中油（新疆）石油工程有限公司，新疆維吾爾自治區 克拉瑪依 834000）

油田某站場建設期間，在調試過程進行提升泵試車時，突發電機在遠程控制下啟動后無法停車的問題。在排除控制回路接線錯誤、控制電纜故障接地、屏蔽層接地等外部問題后，經進一步排查，對控制回路繼電器電壓進行測量，發現繼電器兩端存在感應電壓導致DCS發出停機命令后繼電器拒動，進而判斷電纜分布電容引起的感應電壓導致繼電器拒動。本文通過以上項目提升泵控制回路拒動的問題分析，闡明控制電纜分布電容引起的感應電壓對控制回路的影響，并提出解決方案。

1 控制原理及問題分析

1.1 控制原理和故障現象

油田某站場提升泵部分二次控制原理圖，如圖1。

圖1 電機二次控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of motor secondary control

如圖1所示，電機具備遠程和本地兩種控制方式。當轉換開關SH處于遠程位置時繼電器KA4得電，繼電器KA4常開輔助觸點導通遠程控制回路，需電機啟動時，DCS系統發出電機啟動命令，無源常開觸點JJ2閉合控制回路導通，電機運行；需電機停止時，DCS系統發出電機停機命令，無源常閉觸點JJ1斷開控制回路失電，電機停止。當轉換開關SH處于本地位置時，按下啟動按鈕SBF或SBF’使繼電器KA1得電，本地控制回路導通，KA1常開觸點閉合給變頻器發出啟動命令，電機運行；按下停止按鈕SBS或SBS’使繼電器KA1失電，控制回路斷開，電機停止運行。

根據以上控制原理，電機調試過程中，采用就地控制方式時電機啟動停止正常；采用遠程控制方式時，電機啟動正常，但會出現無法停機的故障現象。

1.2 故障問題分析

在排除控制回路接線錯誤、控制電纜故障接地、屏蔽層接地等外部問題后，進一步排查，對控制回路繼電器進行電壓測量，發現繼電器兩端存在感應電壓，電壓值在50V～190V范圍波動。由于該電壓值超過繼電器啟動電壓，進而導致DCS系統發出停機命令后繼電器拒動。控制室DCS系統至電機開關柜控制電纜采用總屏蔽多芯控制電纜（型號ZA-KVVP450/750V 14×2.5）長度約為550m，根據文獻[1]控制電纜存在分布電容，電纜越長其分布電容越大，分布電容一般為0.15μF/km～0.3μF/km。本工程提升泵控制電纜較長，初步判斷長距離控制電纜由于分布電容較大，導致分布電容在繼電器兩端產生感應電壓從而影響繼電器動作。為驗證電纜分布電容的影響，現將電機控制回路轉化為等效電路模型，同時為減少計算量對模型進一步簡化[2]：電纜絕緣電阻一般為兆歐級，對計算影響很小可忽略；由于相同電位的線芯之間分布的電容等效于短接，暫可忽略；線芯對電纜屏蔽層分布的電容較小，可不考慮。根據以上簡化過程，等效電路模型僅考慮繼電器的內阻Rj和電感Lj，以及控制電纜的分布電容Cf，因此簡化后的等效電路為一個RLC串聯回路，如圖2。

圖2 等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model

等效電路模型中繼電器內阻Rj=25kΩ，電感Lj=47.8mH（由繼電器廠家提供數據）；電纜分布電容Cf=0.15μF/km～0.3μF/km，電纜長度L=550m。由此得到以下數據：繼電器等效電抗XL=ωLj=2πfLj=15.01kΩ，電纜等效電抗Xc=1/ωCf=1/2πfCf=38.6kΩ～19.3kΩ，等效電路模型各參數計算公式如下：

式（1）中：X∑——控制回路總電抗，kΩ；Z∑——控制回路總阻抗，kΩ；I∑——控制回路總電流，mA。

以上公式代入數據后計算可得：回路總電抗X∑=-(4.29～23.9)kΩ；回路總阻抗Z∑=25.37 kΩ～34.59kΩ；回路總電流I∑=6.36mA～8.67mA。該回路繼電器啟動電壓值為95V，啟動電流值為3.26mA，返回電壓值為37V，返回電流值為1.27mA。根據以上計算結果，回路感應電流已超過啟動電流和返回電流，引起繼電器拒動。根據公式（1），繼電器為感性電抗，而電纜分布電容為容性電抗，兩者串聯后其值互相抵消，導致回路總阻抗變小，回路總電流與總阻抗成反比，回路總阻抗變小導致回路感應電流增大。因此，當電纜足夠長時，其分布電容產生的感應電流就會超過繼電器的啟動電流和返回電流，最終引起繼電器誤動或拒動。

1.3 控制電纜分布電容研究

根據上節內容可知，控制電纜存在分布電容。控制電纜越長，其分布電容越大。當控制電纜長度足夠長時，其產生的分布電容將造成繼電器兩端感應電壓超過返回電壓，造成繼電器拒動或誤動。因此，為更好研究控制電纜分布電容對控制回路的影響，有必要對控制電纜分布電容的產生進行研究分析。目前，在油田站場一般采用交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套控制電纜（KYJV、KYJVP、KYJV22和KYJVP22），電纜一般由導體、絕緣層、繞包層、填充料、屏蔽層和護套組成。

當兩根導體帶等量異種電荷且導體間存在電壓時，導體間會產生電容。該電容為雜散電容，即為分布電容[3]。因此，將控制電纜內各芯導體可看作一根帶有電荷的導體，在電纜通電后，各芯導體之間互相作用在電纜內各芯導體間，導體與屏蔽層間形成分布電容。由此，可得到控制電纜等效分布電容結構如圖3[4]。

圖3 7芯控制電纜等效分布電容結構圖Fig.3 Equivalent distributed capacitance structure of 7-core control cable

由圖3可以看出，控制電纜的分布電容包括線芯間分布電容和線芯對地分布電容。分布電容的大小與以下因數有關：

1）控制電纜長度。控制電纜越長，其分布電容越大。

2）控制電纜芯數。控制電纜芯數越多，單位長度內線芯間分布電容和線芯對地分布電容的總和越大，即控制電纜分布電容越大。

3）控制電纜的絕緣介質。由于不同絕緣介質的介電常數不同，導致不同絕緣介質的導體線芯之前感應的分布電容不同。

4）控制電纜的屏蔽形式。控制電纜屏蔽形式分為分屏和總屏，分屏電纜內每根線芯均包裹一層獨立的銅帶屏蔽層，因此可以避免線芯間的分布電容產生，達到降低電纜分布電容的目的。

2 解決方案研究

2.1 具體解決方案

根據上節分析內容可知，由于控制電纜分布電容的產生會使整個控制回路總阻抗減小，從而導致控制回路總電流增大，繼電器兩端感應電壓增大。當控制電纜足夠長時，其分布電容引起的繼電器兩端感應電壓值會超過繼電器的返回電壓，造成繼電器無法動作，因此控制電纜分布電容的產生是造成控制回路故障的根本原因。為解決控制電纜分布電容引起的感應電壓，本文采用在繼電器兩端并聯電容的方式降低繼電器兩端感應電壓，繼電器并聯電容后等效電路模型如圖4。

圖4 繼電器并聯電容后等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of relay after shunt capacitor

2.2 常用解決措施

控制電纜分布電容引起的感應電壓，當電纜距離較短時，其值較小可忽略對控制回路的影響。但是當控制電纜較長時，其分布電容引起的感應電壓將無法忽視[5]。對于消除控制電纜分布電容引起的感應電壓影響措施可分為兩類[6,7]：①提高繼電器的抗干擾能力；②減少感應電壓的產生。

2.2.1 提高繼電器抗干擾能力電纜分布電容造成繼電器誤動或拒動的原因是：由于電纜分布電容引起的感應電壓超過繼電器啟動電壓和返回電壓，因而適當提高繼電器啟動電壓和返回電壓值。當繼電器啟動電壓和返回電壓值大于感應電壓，就可不受控制電纜感應電壓的影響。在實際工程應用中，可以采用啟動電壓值和返回電壓值較高的繼電器來減少感應電壓的影響，但是現場工程條件復雜，導致控制電纜感應電產生因素的確定十分困難。因此，如何保證繼電器的啟動電壓和返回電壓值大于控制電纜分布電容引起的感應電壓是個十分困難的問題，此方法在實際工程應用中有一定的局限性。

2.2.2 減少感應電壓產生

1）采用直流電源代替原控制回路的交流電源

由于控制電纜引起的感應電壓根本原因是存在分布電容，根據電容具備“通交流，阻直流”的特性，采用直流傳輸代替交流傳輸的方式。直流傳輸只需要考慮控制電纜電阻對感應電壓的影響，從根本上解決分布電容引起的感應電壓。但是在實際工程應用中，采用直流傳輸方式需要增設直流電源裝置，導致工程費用成本的增加；此外工程現場情況復雜，直流傳輸的方式容易受到交流干擾產生感應電壓影響信號傳輸，因此在實際工程應用中采用直流傳輸的方式并不能完全解決感應電壓造成的影響。

2）采用分屏加總屏的控制電纜，減小電纜線芯間分布電容

由上節內容可知，控制電纜的分布電容包括線芯間分布電容和線芯對地分布電容，對于分屏加總屏的控制電纜，其電纜內的每根線芯均有一層獨立的銅帶屏蔽層，且該屏蔽層與大地可靠連接。由于分屏加總屏的控制電纜的這種特性，杜絕了線芯間分布電容的產生，因而在考慮控制電纜分布電容時，僅考慮線芯對地分布電容，而線芯間分布電容可忽略不計。這樣就避免線芯間分布電容產生感應電壓，達到降低控制電纜分布電容的目的。分屏加總屏的控制電纜降低感應電壓的效果十分明顯，特別是對于芯數較多的多芯電纜，但是在實際工程應用中，由于分屏加總屏的控制電纜較常規屏蔽電纜造價高出20%～30%，因而會造成工程投資增加。

3）采用在繼電器兩端并聯電容或電阻的方式降低感應電壓

本文在實際工程中解決感應電壓采取的措施是采用繼電器并聯電容。根據前文所述，繼電器并聯電容或電阻能夠降低感應電壓的原因：繼電器并聯電容或電阻后相當于減小了繼電器的阻抗，根據串聯回路分壓的原理，在回路總電壓一定的前提下，減小阻抗就相當于減小電壓。但此方法并不能減少感應的產生，只是通過額外措施減少感應電壓對繼電器的影響。此外并聯電阻在工作過程中會一直發熱，存在發熱燒毀的可能，而選擇并聯電容的參數需要與回路參數匹配，否則會發生諧振的可能，造成電容器燒毀。

基于以上原因，通常在實際工程已投產后需對感應電壓問題進行整改，建議采用繼電器并聯電容或電阻的方式。此方法相對于其他減少感應電壓措施而言，繼電器并聯電容或電阻方法最為簡單，且成本較低；而1），2）提出的措施都需更換設備或重新敷設電纜，成本較高，整改難度大。

4）從優化設計和施工方面減少感應電壓產生

控制電纜產生感應電壓的根本原因是電纜過長導致電纜分布電容增大，因此在設計之初應盡量避免長距離電纜。此外在設計過程中應避免交、直流回路共用一根電纜，端子排排列時交流回路與直流回路之間應采用空端子進行分隔。在施工過程中應避免交、直流電纜在同一線槽內敷設，無法避免時交、直流電纜應采取措施進行分隔。

3 結論

本文通過對油田某站場提升泵受長距離電纜感應電壓影響發生拒動的問題進行分析，詳細地闡述了電纜感應電壓產生的原因，并提出相關具體解決措施；同時介紹了減少電纜感應電壓的其他常用方法。電纜感應電壓會引起控制回路的誤動或拒動，影響設備的可靠運行和人身安全，因此在工程設計中應引起高度重視。為減少電纜感應電壓的影響，設計人員應根據不同工程的實際工況條件，從源頭上采取措施盡可能地減少電纜感應電壓產生，保證設備可靠運行和人身安全。